[0001] Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Sensors nach Anspruch 9.
[0002] Aus der
EP 1 503 226 A2 ist ein als Lichttaster ausgebildeter optischer Sensor bekannt mit einem Sender zum
Aussenden von Sendelicht, einem Empfänger zum Empfang von an einem Objekt reflektierten
Sendelichts und einer Auswerteeinheit, in der das elektronische Signal des Empfängers
ausgewertet und bei Detektion von reflektiertem Sendelicht an einem Objekt ein Objektfeststellungssignal
ausgegeben wird. Um auch strukturierte Objekte detektieren zu können, bei denen aufgrund
der Strukturen nur ein Teil der Sendelichtstrahlen zum Empfänger zurückreflektiert
wird, ist nach der
EP 1 503 226 A2 vorgesehen, dass die Sendelichtstrahlen mit einer lichtstreuenden Folie beispielsweise
linienförmig aufgeweitet werden, so dass das zu detektierende Objekt großflächiger
beleuchtet wird und bei vorhandenem Objekt eine ausreichende Reflektion zur Detektion
zur Verfügung steht. Wird also ein Mindestmaß an reflektiertem Licht empfangen, kann
der Empfänger dies ermitteln und es wird ein Objektfeststellungssignal ausgegeben.
[0003] Aus der
EP 0 891 004 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors bekannt, bei dem zur
Erkennung von transparenten Gegenständen, wie Glasflaschen oder dergleichen, das Empfangssignal
des Empfängers mit einem Erkennungs-Schwellwert verglichen wird und in Abhängigkeit
davon ein Gegenstandsfeststellungssignal ausgegeben wird. Dieser Erkennungs-Schwellwert
kann in Abhängigkeit des Empfangssignals geändert werden, so dass beispielsweise einer
graduellen Verschmutzung der Optik zu einem gewissen Grade entgegengewirkt werden
kann und eine Objekterkennung möglich bleibt.
[0004] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten
optoelektronischen Sensor bereitzustellen, mit dem insbesondere opake Objekte, die
nur von einem Teil des Sendelichts getroffen werden, verbessert detektiert werden
können.
[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Sensors mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
[0006] Ein solcher optoelektronischer Sensor weist einen Sender zum Aussenden von Sendelicht,
einen Empfänger zum Empfang des Sendelichts und zum Bereitstellen eines elektronischen
Empfangssignals sowie eine Auswerteeinheit zum Aufnehmen des Empfangssignals und Ausgeben
eines Detektionssignals, wenn in den Sendelichtstrahl ein opakes, zu detektierendes
Objekt eintritt, auf. Erfindungsgemäß definiert das Sendelichtprofil einen quer, insbesondere
senkrecht zur Sendestrahlrichtung ausgedehnten Detektionsbereich zwischen Sender und
Empfänger bzw. Reflektor und wird bei freiem Strahlengang über den Reflektor oder
direkt vom Empfänger empfangen. Weiter weist die Auswerteeinheit Mittel auf zur Bestimmung
und Nachführung eines Erkennungs-Schwellwertes. Das Detektionssignal ist dann ausgebbar,
wenn das Empfangssignal unterhalb des Erkennungs-Schwellwertes liegt.
[0007] Der wesentliche Vorteil des neuen Sensors besteht darin, dass damit eine zuverlässige
Detektion von Objekten über einen gewissen Detektionsbereich möglich ist, wenn diese
nur einen kleineren Teil des Sendelichts unterbrechen, so dass am Empfänger nur geringfügig
weniger Licht empfangen wird, als bei freiem Strahlengang. Damit ist eine Lichtschranke
geschaffen, die zuverlässig auch kleinste Änderungen des Empfangslichts erkennen kann.
Der erfindungsgemäße Sensor kann somit auch Lichtgitter bzw. Lichtvorhänge, die ebenfalls
eine Ebene mit diskreter Auflösung, die beim Lichtgitter dem Abstand der Einzelstrahlen
entspricht, überwachen können, ersetzen.
[0008] Besonders vorteilhaft kann ein solcher Sensor beispielsweise zur sicheren Detektion
von Paletten unterschiedlicher Höhe eingesetzt werden, wenn nämlich das linienförmige
Sendelichtprofil senkrecht zur Palette, also in der Regel vertikal, ausgerichtet ist
und das Sendelicht von dem Palettenboden unterbrochen wird. Für eine solche Detektion
von Paletten wurden bisher entweder schräg ausgerichtete klassische Lichtschranken,
die jedoch prinzipbedingt bei beschädigten Paletten (fehlende Deckbretter) zu Fehlschaltungen
führen können, oder eben ausgerichtete Lichtgitter, die prinzipiell ebenfalls über
einen linienförmig ausgedehnten Bereich mit einer gewissen Auflösung Gegenstände,
die die einzelnen Strahlen des Lichtgitters unterbrechen, detektieren können, eingesetzt.
Der erfindungsgemäße Sensor hat demgegenüber aber zahlreiche Vorteile, indem er zwar
die erhöhte Sicherheit eines Lichtgitters bietet, demgegenüber aber kostengünstiger
ist sowie eine erhöhte Schaltfrequenz hat, da nicht eine Vielzahl von Lichtstrahlen
ausgewertet werden müssen. Des Weiteren weist der erfindungsgemäße Sensor eine kontinuierliche
Detektionsebene, und kein Rastermaß wie ein Lichtgitter, auf. Eine für Einzelstrahlen
eines Lichtgitters notwendige Justageanforderung entfällt.
[0009] In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung kann der Empfänger als einfache kostengünstige
Photodiode ausgebildet sein, da aufgrund der Nachführung des Erkennungs-Schwellwertes
keine Ortauflösung am Empfänger notwendig ist und trotzdem kleinere Änderungen des
Empfangslichts erkannt werden.
[0010] In einer Weiterbildung der Erfindung ist dem Sender eine Sendeoptik und/oder dem
Empfänger eine Empfangsoptik zugeordnet, um das gewünschte Sendelichtprofil zu und
einen gewünschten Sichtbereich für den Empfänger erhalten.
[0011] Das gewünschte Sendelichtprofil besteht bevorzugt aus einem annähernd parallelen
Sendelichtstrahlenverlauf, denn dann ist das Empfangssignal unabhängig von der Position
des zu detektieren Objektes im Strahlengang.
[0012] Durch die Verwendung einer Stufenlinse kann der durch die optischen Randbedingungen
hierfür erforderliche Bauraum (Abstand zwischen Sender bzw. Empfänger und zugeordneter
Linse) reduziert werden.
[0013] Vorteilhafterweise sind Sender, Empfänger und Auswerteeinheit gemeinsam in einem
Sensorgehäuse angeordnet, das mit einer Frontscheibe abgedeckt ist, durch die Sende-
und Empfangslicht treten.
[0014] Die Frontscheibe kann zumindest in einem Abschnitt, der von dem Sendelicht oder dem
Empfangslicht durchsetzt wird, lichtabsorbierende Muster aufweisen, die dazu dienen,
das im Querschnitt linienförmige Sende- oder Empfangslicht zu homogenisieren, so dass
möglichst über die gesamte Linie gleiche Lichtintensität vorliegt.
[0015] Um ein optisches Übersprechen innerhalb des Sensorgehäuses vom Sender zum Empfänger
zu verhindern, ist in Weiterbildung der Erfindung zwischen Sender und gegebenenfalls
Sendeoptik sowie Empfänger und gegebenenfalls Empfangsoptik eine optische Trennwand
vorgesehen.
[0016] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines
optoelektronischen Sensors mit folgenden Verfahrensschritten:
- Aussenden eines quer zur Sendestrahlrichtung ausgedehnten, parallelen Sendelichts
in einen Überwachungsbereich,
- Empfangen des Sendelichts mit einem Empfänger und Bereitstellen eines elektronischen
Empfangssignals, wobei bei freiem Strahlengang das Sendelicht direkt oder über einen
Reflektor vom Empfänger empfangen wird,
- Vergleichen des Empfangssignals bei teilweisem Unterbrechen des Sendelichts durch
ein opakes, zu detektierendes Objekt mit einem Erkennungs-Schwellwert, der einem festgelegten
Prozentsatz des Empfangssignals bei freiem Strahlengang entspricht,
- Ausgabe eines Detektionssignals in Abhängigkeit dieses Vergleichs, Nachführen des
Erkennungs-Schwellwertes nach Ablauf einer bestimmten Zeit.
[0017] Mit diesen erfindungsgemäßen Verfahren ist eine geschickte, weil relativ einfache
Nachführung des Erkennungs-Schwellwertes gegeben, die eine zuverlässige Detektion
von Objekten, die nur einen kleineren Teil des Sendelichts unterbrechen, auch außerhalb
Reinraumbedingungen erlaubt. In gewissen Zeitabständen wird dabei das Empfangssignal
bei freiem Strahlengang gemessen und immer ein fester Prozentsatz davon als neuer
Erkennungs-Schwellwert definiert. Auf diese Weise können Langzeiteffekte, wie graduelle
Verschmutzung der Optik oder Alterungsprozesse wirksam eliminiert werden.
[0018] In einer anfänglichen Einlernphase (teach-in) kann das Empfangssignal bei freiem
Strahlengang erstmalig automatisch eingelernt werden. Diese Einlernphase kann beispielsweise
manuell ausgelöst werden.
[0019] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 und 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensors in einer
Anwendung aus zwei verschiedenen Richtungen gesehen;
Fig. 3 und 4 Strahlprofile des Sendelichts;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Frontscheibe;
Fig. 6 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Empfangssignals zur
Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors.
[0020] Ein erfindungsgemäßer Sensor 10 ist als Lichtschranke ausgebildet und beispielhaft
als Reflektions-Lichtschranke in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Der Sensor 10 weist
einen Sender 12, einen beispielsweise als Photodiode ausgebildeten Empfänger 14 und
eine Auswerteeinheit 16 auf. Sender 12, Empfänger 14 und Auswerteeinheit 16 sind in
einem gemeinsamen Sensorgehäuse 18 angeordnet, das frontseitig mit einer Frontscheibe
20 abgedeckt ist. Das vom Sensor 12 ausgesandte Sendelicht 22 wird von einer dem Sender
12 zugeordneten Sendeoptik 24 etwa linienförmig aufgeweitet, so dass das den Sensor
verlassende Sendelicht 22 ein etwa linienförmiges Sendeprofil aufweist, wie beispielsweise
in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Das den Sensor 10 verlassende Sendelicht 22 hat
dabei einen annähernd parallelen Sendelichtstrahlenverlauf, wie aus der Darstellung
in Fig. 1 schematisch erkennbar ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist
das Sendelicht 22 im Querschnitt nahezu rechteckförmig, wobei es sich um ein sehr
schmales Rechteck handelt, um die Linienform zu erhalten. Das Sendelichtprofil in
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist linienförmig durch eine in die Länge gezogene
Ellipsenform gebildet. Das Sendelichtprofil wird durch Sendeoptik 24 bestimmt, die
beispielsweise als Stufenlinse ausgebildet sein kann, wodurch der Abstand zwischen
Sender 12 und Sendeoptik 24 zur Bauraumreduzierung minimal gehalten werden kann.
[0021] Die Linienform des Sendelichts 22 ist ebenfalls in den Fig. 1 und 2 zu erkennen,
wobei in der Perspektive der Fig. 1 das Sendelicht 22 sehr schmal ist und in der Perspektive
der Fig. 2 sehr breit, so dass das Sendelicht also in z-Richtung linienförmig ausgebildet
und senkrecht zur Transportrichtung y vertikal ausgerichtet ist.
[0022] Bei freiem Strahlengang trifft das Sendelicht 22 auf einen Retroreflektor 26 und
wird von diesem in gleiche Richtung zurückreflektiert zum Sensor 10 und dort als Empfangslicht
28 vom Empfänger 14, dem eine Empfängeroptik 30 vorgeordnet ist, empfangen. Die Empfängeroptik
30 bündelt das ebenfalls linienförmige Empfangslicht 28 auf den als Photodiode ausgebildeten
Empfänger 14.
[0023] Damit kein optisches Übersprechen innerhalb des Gehäuses vom Sender zum Empfänger
erfolgen kann, ist bevorzugt eine optische Trennwand 31 vorgesehen, die im Sensorgehäuse
18 Sende- und Empfangskanal trennt. Im Empfänger 14 wird das Empfangslicht in ein
elektronisches Empfangssignal umgewandelt, das von der Auswerteeinheit 16 aufgenommen
wird. In der Auswerteeinheit wird das Empfangssignal daraufhin ausgewertet, ob im
Sendelicht 22 ein opakes Objekt vorhanden ist oder nicht und gegebenenfalls ein Detektionssignal
ausgegeben.
[0024] In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 dient der erfindungsgemäße Sensor
10 zur Detektion von Paletten 32. Eine Palette 32 weist einen Palettenboden 34 und
Palettenfüße 36 auf. Der optoelektronische Sensor 10 ist nun derart ausgerichtet,
dass die Sendelichtlinie senkrecht zum Palettenboden 34 verläuft, so dass bei Transport
der Palette 32 in y-Richtung der Paletten boden 34 durch das Sendelicht 22 transportiert
wird (siehe auch Fig. 3).
[0025] Da der Palettenboden 34 im Vergleich zur Ausdehnung des Sendelichts 22 in z-Richtung
eine relativ kleine Ausdehnung hat, unterbricht er das Sendelicht nur abschnittsweise,
so dass immer ein Großteil des Sendelichts den Reflektor 26 erreicht und in den Empfänger
14 zurückreflektiert wird. Eine besondere Aufgabe des erfindungsgemäßen Sensors ist
es daher, eine relativ geringe Intensitätsänderung zu erkennen und möglichst zuverlässig
und sicher ein Detektionssignal auszugeben, wenn eine Palette 32 sich zumindest mit
ihrem Paletten boden 34 in dem Strahlengang befindet. Dazu arbeitet der Sensor 10
wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 im Folgenden erläutert:
[0026] Zu Beginn wird zunächst bei freiem Strahlengang die empfangene Intensität am Empfänger
14 ermittelt und das entsprechende elektronische Empfangssignal I
0 gespeichert. Danach wird in der Auswerteeinheit 16 ein Erkennungs-Schwellwert S
0 festgelegt, der einem festgelegten Prozentsatz des Empfangssignals bei freiem Strahlengang
entspricht.

[0027] Dieser Erkennungs-Schwellwert S
0 muss aber höher liegen als ein Empfangssignal I
1, das der empfangenen Intensität entspricht, wenn zumindest der Palettenboden 34 sich
im Strahlengang des Sendelichts 22 befindet, beispielsweise in der Zeit zwischen t1
und t2. Dann ist gewährleistet, dass bei Unterschreiten des Erkennungs-Schwellwertes
S
0 eine Palette vorhanden ist. Dies gilt selbstverständlich auch, wenn ein Palettenfuß
36 in den Strahlengang mit eintreten sollte, da das dann empfangene Signal I
2 noch kleiner ist als das Empfangssignal I
1 bei nur dem Palettenboden 34 im Sendelicht 22.
[0028] Nach Ablauf einer bestimmten Zeit T, dies können beispielsweise mehrere Sekunden
oder sogar Minuten oder Stunden sein, wird das Empfangssignal I
neu bei freiem Strahlengang, also ohne Paletten, automatisch erneut ermittelt und der
bisherige, in der Auswerteeinheit 16 abgespeicherte Wert für I
0 überschrieben. Ausgehend von diesem neuen Empfangssignal I
neu bei freiem Strahlengang wird ein neuer Erkennungs-Schwellwert S
neu mit dem gleichen Prozentsatz errechnet und als neuer Erkennungs-Schwellwert S
neu abgespeichert.

[0029] Mit diesem neuen Erkennungs-Schwellwert S
neu wird weitergearbeitet, bis nach erneutem Zeitablauf wieder ein neuer Erkennungs-Schwellwert
auf gleiche Weise bestimmt wird. Auf diese Weise wird der Erkennungs-Schwellwert immer
wieder nachgeführt. Wenn das Zeitintervall T sehr kurz ist, beispielsweise Sekunden,
ist die Nachführung sogar quasi kontinuierlich.
[0030] Wie bereits oben erläutert, ist in den Fig. 3 und 4 jeweils ein Sendelichtprofil
im Querschnitt schematisch dargestellt. Damit die Erkennung eines sich im Strahlengang
22 befindlichen Palettenbodens 34 unabhängig vom Ort des Auftretens des Palettenbodens
34 ist, sollte das Empfangssignal I1 unabhängig sein von der x- und z-Position.
[0031] Um die Unabhängigkeit in z-Richtung, also entlang der Sendelichtlinie, zu gewährleisten,
sollte das Sendelicht homogen sein, was hohe Anforderungen an die Sendeoptik stellt.
Diese lassen sich aber reduzieren, wenn die Homogenisierung auf andere Weise bewerkstelligt
werden kann. Dazu ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Frontscheibe
in dem Bereich 21S, durch den das Sendelicht 22 durch die Frontscheibe 20 tritt oder
in dem Bereich 21E, durch den das Empfangslicht 28 durch die Frontscheibe 20 tritt,
musterartig bedruckt ist, so dass letztendlich das vom Sensor ausgesandte und wieder
empfangene Licht in verschiedenen Bereichen der Frontscheibe unterschiedlich stark
gedämpft wird, so dass letztendlich eine Homogenisierung des Sendelichts in z-Richtung
aus Sicht des Empfängers 14 auftritt. Die Muster zum Bedrucken der Frontscheibe können
in verschiedenster Art und Weise ausgebildet sein. In Fig. 5 ist beispielhaft ein
Streifenmuster dargestellt, das in z-Richtung das Sendelicht zentral mehr dämpft als
zu den Rändern oben und unten hin. Eine Bedruckung nur des empfängerseitigen Bereichs
21 E ist vorteilhaft, da dann das Sendelicht mit voller Lichtstärke austritt und Reflektionen
des Sendelichts an einem Objekt, z.B. dem Palettenboden 34, mit bloßem Auge zu Justagezwecken
leichter erkannt werden können.
[0032] Die Unabhängigkeit in x-Richtung wird
dadurch gewährleistet, dass das vom Sensor 10 ausgesandte Sendelicht 22 durch die Sendeoptik 24 parallel ausgerichtet
ist.
[0033] Insgesamt ist damit ein optoelektronischer Sensor geschaffen, mit dem ein Objekt
detektiert werden kann, wenn es sich in dem durch den Sendelichtstrahlengang 22 spezifizierten,
in z-Richtung ausgedehnten Detektionsbereich befindet, wobei das opake Objekt eine
bestimmte Mindestabdeckung des Sendelichts verursachen muss, damit das Empfangssignal
zur Detektion unter eine vorgegebene Schwelle fällt.
1. Optoelektronischer Sensor mit einem Sender (12) zum Aussenden von Sendelicht (22),
einem Empfänger (14) zum Empfang des Sendelichts (28) und zum Bereitstellen eines
elektronischen Empfangssignals (I), einer Auswerteeinheit (16) zum Aufnehmen des Empfangssignals
(I) und Ausgeben eines Detektionssignals, wenn in den Sendelichtstrahl (22) ein opakes,
zu detektierendes Objekt (36) eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendelichtprofil (22) einen quer zur Sendestrahlrichtung ausgedehnten Detektionsbereich
zwischen Sender und Empfänger bzw. Reflektor (26) definiert, und bei freiem Strahlengang
über einen Reflektor (26) oder direkt vom Empfänger (14) empfangen wird und dass die
Auswerteeinheit (16) Mittel aufweist zur Bestimmung und Nachführung eines Erkennungs-Schwellwertes
(S) und dass das Detektionssignal ausgebbar ist, wenn das Empfangssignal (I) unterhalb
des Erkennungs-Schwellwertes (S) liegt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (14) als einfache Photodiode ausgebildet ist.
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sender (12) eine Sendeoptik (24) und/oder dem Empfänger (14) eine Empfangsoptik
(30) zugeordnet ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendelicht durch die Sendeoptik (24) einen annähernd parallelen Sendelichtstrahlenverlauf
erhält.
5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-und/oder Empfangsoptik (24, 30) eine Stufenlinse aufweist.
6. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Sender (12) mit der gegebenenfalls vorgesehenen Sendeoptik (24) in
einem eine Frontscheibe (20) aufweisenden Sensorgehäuse (18) angeordnet ist und die
Frontscheibe (20) abschnittsweise mit Sendelicht absorbierenden Mustern zur Sendelichthomogenisierung
bedruckt ist.
7. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sender (12), Empfänger (14) und Auswerteeinheit (16) gemeinsam in dem Sensorgehäuse
(18) angeordnet sind.
8. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sender (12) und gegebenenfalls Sendeoptik (24) sowie Empfänger (16) und
gegebenenfalls Empfangsoptik (30) eine optische Trennwand (31) vorgesehen ist.
9. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors nach einem der vorhergehenden
Ansprüche mit folgenden Verfahrensschritten:
- Aussenden eines quer zur Sendestrahlrichtung ausgedehnten, parallelen Sendelichts
(22) in einen Überwachungsbereich,
- Empfangen des Sendelichts (22) mit einem Empfänger (14) und Bereitstellen eines
elektronischen Empfangssignals (I), wobei bei freiem Strahlengang das Sendelicht (22)
direkt oder über einen Reflektor (26) vom Empfänger (14) empfangen wird,
- Vergleichen des Empfangssignals (I) bei teilweisem Unterbrechen des Sendelichts
(22) durch ein opakes, zu detektierendes Objekt (36) mit einem Erkennungs-Schwellwert
(S), der einem festlegbaren Prozentsatz des Empfangssignals bei freiem Strahlengang
entspricht,
- Ausgabe eines Detektionssignals in Abhängigkeit dieses Vergleichs,
- Nachführen des Erkennungs-Schwellwertes (S) nach Ablauf einer bestimmten Zeit (T).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der bestimmten Zeit (T) das Empfangssignal bei freiem Strahlengang erneut
bestimmt wird (I) und der Erkennungs-Schwellwert (S) an dieses zur Nachführung angepasst
wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Einlernphase (teach-in) das Empfangssignal bei freiem Strahlengang eingelernt
wird.